嵌入式linux的网络编程(2)--TCP Server程序设计

嵌入式linux的网络编程(2)--TCP Server程序设计

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前面简单介绍了TCP/IP协议,事实上该协议非常复杂,要编写一个优秀的网络程序也非易事.下面我们通过一个例子的学习达到对网络编程有一个概貌性的理解.

1.TCP的通信过程

一个典型的TCP通信过程如下:

工作过程如下:服务器首先启动,通过调用socket建立一个套接字,然后调用bind将该套接字和本地网络地址联系在一起,再调用listen使套接字做好侦听的准备,并规定它的请求队列的长度,之后调用accept来接收连接.客户在建立套接字后就可以调用connect和服务器建立连接连接一旦建立,客户机和服务器之间就可以通过调用read和write来发送和接收数据.最后,待数据传送结束后,双方调用close关闭套接字.

2.TCP Server程序

为了学习基于socket编程的基本流程和所用到的API函数,下面我们通过一个实际的例子来学习.该例子包含服务器程序和客户端程序.首先列出服务器程序的源码,后续的文章中再讲解客户端程序.

  1 /**************************************************************************************/
  2 /*简介：TCPServer示例。                                                                  */
  3 /*************************************************************************************/
  4 #include <stdlib.h>  
  5 #include <stdio.h> 
  6 #include <errno.h> 
  7 #include <string.h> 
  8 #include <netdb.h> 
  9 #include <sys/types.h> 
 10 #include <netinet/in.h> 
 11 #include <sys/socket.h> 
 12 
 13 int main(int argc, char *argv[]) 
 14 { 
 15         int sockfd,new_fd;        
 16         struct sockaddr_in server_addr;  
 17         struct sockaddr_in client_addr;  
 18         int sin_size,portnumber;  
 19         const char hello[]="Hello\n";
 20 
 21         if(argc!=2) 
 22         { 
 23                 printf("Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]); 
 24                 exit(1); 
 25         } 
 26         if((portnumber=atoi(argv[1]))<0) 
 27         { 
 28                 printf("Usage:%s portnumber\a\n",argv[0]); 
 29                 exit(1); 
 30         } 
 31 
 32         /* 服务器端开始建立socket描述符 */ 
 33         if((sockfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1) 
 34         { 
 35                 printf("Socket error:%s\n\a",strerror(errno)); 
 36                 exit(1); 
 37         } 
 38 
 39         /* 服务器端填充 sockaddr结构 */ 
 40         bzero(&server_addr,sizeof(struct sockaddr_in)); 
 41         server_addr.sin_family=AF_INET; 
 42         server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); 
 43         server_addr.sin_port=htons(portnumber); 
 44 
 45         /* 捆绑sockfd描述符 */ 
 46         if(bind(sockfd,(struct sockaddr *)(&server_addr),sizeof(struct sockaddr))== -1)
 47         {
 48                 printf("Bind error:%s\n\a",strerror(errno));
 49                 exit(1);
 50         }
 51 
 52         /* 监听sockfd描述符 */
 53         if(listen(sockfd,5)==-1)
 54         {
 55                 printf("Listen error:%s\n\a",strerror(errno));
 56                 exit(1);
 57         }
 58 
 59         while(1)
 60         {
 61                 /* 服务器阻塞,直到客户程序建立连接 */
 62                 sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
 63                 if((new_fd=accept(sockfd,(struct sockaddr *)(&client_addr),&sin_size))==-1)
 64                 {
 65                         printf("Accept error:%s(%d)\n\a",strerror(errno),errno);
 66                         exit(1);
 67                 }
 68                 printf("Server get connection from %s\n",
 69                                 (char *)inet_ntoa(client_addr.sin_addr));
 70 
 71                 if(write(new_fd,hello,strlen(hello))==-1)
 72                 {
 73                         printf("Write Error:%s\n",strerror(errno));
 74                         exit(1);
 75                 }
 76                 /* 这个通讯已经结束 */
 77                 close(new_fd);
 78                 /* 循环下一个 */
 79         }
 80 
 81         close(sockfd);
 82         exit(0);
 83 }

接下来我们对该例子进行详细的讲解.

2.1.网络地址的表示

在引入的众多的头文件后,源码的16和17行定义了两个sockaddr_in数据类型的变量.它们分别表示服务器和客户端的网络地址.网络地址的表示主要通过socketaddr和sockaddr_in来表示.下面首先介绍两个重要的数据类型:sockaddr和sockaddr_in,这两个结构类型都是用来保存socket信息的,如下所示:

struct sockaddr {
	unsigned short sa_family;	/*地址族*/
	char sa_data[14];		/*14字节的协议地址，包含该socket的IP地址和端口号。*/
};
struct sockaddr_in {
	short int sa_family; 		/*地址族*/
	unsigned short int sin_port;	/*端口号*/
	struct in_addr sin_addr;	/*IP地址*/
	unsigned char sin_zero[8];	/*填充0 以保持与struct sockaddr同样大小*/
};
// Internet address.
struct in_addr {
        union {
                struct { u_char s_b1,s_b2,s_b3,s_b4; } S_un_b;
                struct { u_short s_w1,s_w2; } S_un_w;
                u_long S_addr; /* port in network byte order */
        } S_un;
#define s_addr  S_un.S_addr
};
// Socket address, internet style.
struct sockaddr_in {        // struct sockaddr的一种特殊形式
        short            sin_family;    /* address family: AF_INET */
        u_short        sin_port;        /* port in network byte order */
        struct in_addr sin_addr;        /* port in network byte order */
        char            sin_zero[8];    /* 8 byte pad */
};
// Structure used by kernel to store most addresses.
struct sockaddr {
        u_short sa_family; /* address family */
        char    sa_data[14]; /* up to 14 bytes of direct address */
};

这两个数据类型是等效的,可以相互转化,通常sockaddr_in数据类型使用更为方便.但需要注意的是sin_zero[8]是为了使两个结构体在内存中具有相同的尺寸,使用sockaddr_in的时候要把sin_zero全部设为0.在建立socketadd或sockaddr_in后,就可以对该socket进行适当的操作了.下图列出了该结构sa_family字段可选的常见值.

2.2.建立socket

第21行到30行是从命令行获得服务器的监听端口,第33行通过socket系统调用建立一个套接字.该系统调用的语法为:

返回-1时,errno值将设为下列这些值:

• EPROTONOSUPPORT:错误原因是参数中的错误,表示申请的服务或指定的协议无效;
• EMFILE:错误的原因是应用程序的描述符已满;
• ENFILE:错误的原因是应用程序内部的系统文件表已满;
• ENOBUF:错误的原因是系统没有可用的缓冲空间

2.3.绑定本地地址

我们先跳过40-43行,在46行有一个重要的函数bind.该函数帮助指定一个套接字使用的地址和端口.使用socket函数得到一个套接字描述符后,根据需要可能需要将socket绑定上一个本地的地址和端口,有以下两种情况:

1. 当需要进行端口监听(listen)操作,等待接受一个连入请求时,一般都需要经过这一步.比如网页服务器等;
2. 如果只是想进行连接一台已有的服务器,也就是进行connect操作的时候,这一步不是必须的.

bind系统调用的语法如下:

如果调用失败函数返回-1,并设置errno值为EADDRINUSER,最常见的错误时该端口已经被其他程序绑定.

40-43行的代码填充了一个struct sockaddr结构的变量.其中需要注意42和43行:

42   server_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);  
43   server_addr.sin_port=htons(portnumber); 

server_addr.sin_addr.s_addr中存储的是需要绑定的IP地址,INADDR_ANY是一个宏定义,表示任意的IP地址.在服务器程序中表示接受所有的外部连接,如果需要指定某个具体的IP地址,可采用下面的方式:

server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.100");

表示绑定的IP地址为192.168.1.100,server_addr.sin_port中存放的是需要绑定的端口号,可以为0~65535共65536个端口,有以下三点需要注意:

当指定端口号为0时,表示由系统动态分配一个可用的端口;

使用端口号小于1024的端口号需要root权限,一般设置为1024以上的端口号就能满足需要了;

如果设置的端口号已经分配给了别的进程,那么bind函数将出错,并设置errno为EADDRINUSER.

2.4.字节顺序转换

在42和43行中还有两个重要的函数要介绍:htonl和htos函数.它们的作用是进行网络字节顺序转换.由于每个机器内部对变量的字节存储顺序不同(有的系统高位在前,地位在后;有的系统地位在前,高位在后),而网络传输的数据是一定要统一顺序的.所有对于内部字节顺序和网络字节顺序不同的的机器,就一定要对数据进行转换(比如IP地址和端口).如果内部字节顺序和网络字节顺序相同,也要调用转换函数,但真正是否转换有系统函数自己来决定.

转换函数有四个:htons,ntohs,htonl,ntohl.这四个地址分别实现网络字节序和主机字节序的转化,这里的h代表host,n代表network,s 代表short,l 代表long.通常16位的IP端口号用s代表,而IP地址用l来代表.下面给出它们的语法:

调用该函数只是使其得到相应的字节序,用户不需清楚该系统的主机字节序和网络字节序是否真正相等.如果是相同不需要转换的话,该系统的这些函数会定义成空宏.

在struct sockaddr_in中的sin_addr和sin_port它们的字节顺序都是网络字节顺序,而,sin_family确是主机字节序.这是为什呢?

sin_addr和sin_port是从IP和UDP,TCP协议中取出来的数据,而IP和UDP,TCP是直接和网络相关的,所以,它们必须使用网络字节顺序.然后sin_family只是内核用来判断struct sockaddr_in是存储的什么类型的数据,并且sin_family永远不会被发送到网络上,所以可以使用主机顺序来存储.

2.5.IP地址格式转换

为了绑定一个指定的IP地址,需要使用下面的函数:

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

typedef uint32_t in_addr_t;
in_addr_t inet_addr(const char *cp);

inet_addr函数能够把一个用数字和点表示的IP地址字符串转换成一个无符号长整型数.如下面的例子:

server_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr("192.168.1.100");

经过该函数的转换后,不需要再使用htons或者htonl函数进行字节顺序转换,因为inet_addr返回的地址已经是网络字节序.

其实,这段代码有一个很不好的习惯,因为这段代码没有进行错误检查.如果inet_addr函数执行错误,它将返回-1.二进制的无符号整型值-1相当于一个广播用的IP地址(255,255,255,255),所以在一个健壮的网络程序中,应该对所有可能出现的问题的代码进行错误检查和处理.如果想把struct in_addr里面存的网络地址显示出来,可以使用inet_ntoa函数:

char *inet_ntoa(struct in_addr in);

inet_ntoa函数将一个32为的网络字节顺序的struct in_addr结构体转换成相应的点分十进制字符串(ntoa,表示Network to ASCII).inet_ntoa函数返回一个字符串指针,它指向一个定义在函数inet_ntoa中的static类型的字符串.所以,每次调用该函数,都会将这个static类型字符串改为最后一次调用inet_ntoa函数时得到的结果.如果需要将结果保存下来,可以每次调用后用memcpy将结果保存到另外一个自己的字符串中.

此外,inet_aton函数和inet_ntoa函数的功能相反,其定义如下:

int inet_aton(const char *cp, struct in_addr *inp);

如果这个函数成功,函数的返回值非零,如果输入地址不正确则会返回零.使用这个函数并没有错误码存放在errno中,所以它的值会被忽略.

上面讲解的inet_aton,inet_addr和inet_ntoa是在IPv4 中用到的函数,而IPv4 和IPv6兼容的函数有inet_pton和inet_ntop.由于IPv6是下一代互联网的标准协议,因此这里也介绍一下这两个函数,inet_pton函数是将点分十进制地址映射为二进制地址,而inet_ntop是将二进制地址映射为点分十进制地址.

inet_pton函数的语法要点如下: